天然气发动机压缩比、点火时刻及配气相位优化研究

论文摘要

内燃机和汽车的出现为人类社会的发展做出了巨大的贡献,但随着汽车保有量的急剧增加,由此带来的能源危机和环境问题也不容忽视,因此寻找合适的替代能源迫在眉睫。天然气作为一种优质能源,具有技术成熟、资源丰富、排放污染低及价格便宜等特点,从而成为汽车代用燃料的首选,但是天然气作为汽车代用时会造成内燃机动力性下降。目前国内外众多专家、学者对天然气发动机的工作过程作了大量的研究,这些研究大多是在天然气发动机满负荷时进行,对天然气发动机中、低负荷时的性能研究还较少。优化天然气发动机的参数,使其适应天然气的理化性质,是改善天然气发动机动力性的有效途径之一。本文根据某型汽油发动机的相关参数,利用发动机仿真分析软件GT-power建立了较为准确的汽油发动机仿真模型;在GT-power软件的燃料库中新建了乙烷和丁烷的燃料模型,并生成了四川天然气燃料模型;利用汽油发动机模型和四川天然气燃料模型对天然气发动机的性能进行了模拟计算,针对天然气发动机动力性下降的问题,分析了不同负荷条件下压缩比、点火时刻和配气相位对天然气发动机性能的影响,并对各参数进行了优化。将优化后天然气发动机的性能与原天然气发动机、原汽油发动机进行了对比。对比结果表明,优化后天然气发动机动力性、经济性明显改善,但与原汽油发动机相比仍有一定差距。优化后与原天然气发动机相比,在25%负荷时,最大扭矩由53.9N·m提高到56.8N·m,最大功率由11.1kW提高到12.6kW,提升幅度分别为3.1%、6.4%;在50%负荷时最大扭矩由108 N·m提高到113.5N·m,最大功率由22.4kW提高到24.1kW,提高幅度分别为5.1%、7.6%;在75%负荷时,最大扭矩由120.7N·m提高到128.1N·m,最大功率由39kW提升到41.7kW,提升幅度分别为6.1%、6.9%;在100%负荷时,最大扭矩由143.2N·m提升到159.6N·m,最大功率由67.2kW提高到70.6kW,提升幅度分别为11.5%、5.1%。此外,在仿真优化分析的过程中得出:1.与汽油发动机相比天然气发动机的压缩比可以适当提高,宜在10.5～12之间;2.天然气发动机的最佳点火时刻在中等转速时相对汽油发动机有所提前,提前的幅度在3°CA左右;3.在中等转速时优化的固定配气相位,可以提高中、低转速时天然气发动机的动力性,但降低了天然气发动机高转速时的动力性,所以固定的配气相位很难提高天然气发动机全转速范围内的动力性。本文的研究结果对天然气发动机的开发具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 能源危机与环境污染
• 1.1.2 新能源探索
• 1.2 天然气发动机发展与数值模拟研究状况
• 1.2.1 天然气发动机的发展历史
• 1.2.2 天然气发动机数值模拟研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 天然气发动机动力性能分析
• 2.1 天然气发动机动力性下降的主要原因
• 2.2 改善天然气发动机动力性的措施
• 2.3 本章小结
• 第三章 天然气发动机仿真系统建立
• 3.1 GT-power 软件简介
• 3.2 汽油机仿真模型建立
• 3.3 汽油机仿真模型标定
• 3.4 天然气燃料模型
• 3.4.1 乙烷燃料模型
• 3.4.2 丁烷燃料模型
• 3.5 天然气发动机性能仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 天然气发动机关键参数优化
• 4.1 压缩比的优化计算
• 4.1.1 压缩比对天然气发动机动力性的影响
• 4.1.2 压缩比对天然气发动机经济性的影响
• 4.1.3 压缩比对燃烧的影响
• 4.1.4 压缩比选择
• 4.1.5 优化前后天然气发动机性能对比
• 4.2 点火时刻的优化计算
• 4.2.1 点火时刻对天然气发动机动力性的影响
• 4.2.2 点火时刻对天然气发动机经济性的影响
• 4.2.3 点火时刻对燃烧始点的影响
• 4.2.4 点火时刻对燃烧持续期的影响
• 4.2.5 点火时刻对缸内燃烧压力的影响
• 4.2.6 点火时刻对缸内燃烧温度的影响
• 4.2.7 点火时刻优化前后发动机性能对比
• 4.3 配气相位优化设计
• 4.3.1 配气相位优化
• 4.3.2 配气相位优化结果组合
• 4.3.3 配气相位优化前后性能对比
• 4.4 天然气发动机参数优化前后性能对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 结论
• 5.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果